Недавнее экспериментальное исследование, вдохновленное сверхвращением твердого ядра Земли, показывает, что при взаимодействии турбулентных потоков, содержащихся в цилиндре, со свободным телом наблюдается удивительно плавное вращение. Красная (теплая) и синяя (холодная) ленты представляют потоки воды.
Предоставлено: Кайчжэ Ван и Цзюнь Чжан.

Группа физиков обнаружила новую роль определенного типа турбулентности — открытие, которое проливает свет на потоки жидкости, начиная от жидкого ядра Земли и заканчивая кипящей водой.

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, посвящено турбулентной конвекции — движению жидкости при нагревании снизу.

«Наши эксперименты показывают сложные движения между свободно движущимся телом и тепловыми конвективными потоками», — говорит Джун Чжан, профессор математики и физики Нью-Йоркского университета и Нью-Йоркского университета в Шанхае, старший автор статьи.

Исследование, в котором также участвовала Кайжэ Ван, исследователь физического факультета Нью-Йоркского университета, было сосредоточено конкретно на конвекции Рэлея-Бенара — типе конвекции, вызванной разницей температур.

В своих экспериментах, проведенных в Объединенном научно-исследовательском институте Нью-Йоркского университета в Шанхае, авторы статьи использовали цилиндрический контейнер, наполненный водой, затем нагревали ее снизу, создавая конвективные потоки. Образовавшиеся турбулентные потоки взаимодействовали с взвешенным твердым телом (прямоугольной панелью), которое свободно перемещалось внутри контейнера, что позволило исследователям лучше изучить, как турбулентные потоки взаимодействуют с твердыми структурами внутри.

«Удивительно, но система стала вести себя несколько лучше», — отмечает Чжан. «Мы наблюдали плавное вращение потоков и свободного твердого тела».

Их результаты показали, что турбулентные конвекционные потоки вместе с твердым телом могут двигаться в двух направлениях — одно по часовой стрелке, другое против часовой стрелки, причем скорость совращения увеличивается с интенсивностью конвекции. Более того, их вращение иногда может менять направление из-за турбулентности.

«Исследование, вдохновленное вращением внутреннего ядра Земли при взаимодействии с конвективным жидким ядром, фиксирует взаимодействие между турбулентным потоком и свободно движущимся телом в потоке», — объясняет Чжан. «Результаты подтверждают, что турбулентность можно укротить, взаимодействуя с твердыми телами. Это также напоминает нам, что сила тепловой конвекции может играть более важную роль внутри нашей планеты Земля».